核電汽輪機(jī)彎管式汽水分離器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)及其除濕性能

程鵬，王新軍，張峰，蘇云龍，宋釗，謝金偉

（西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所，710049，西安）

核電汽輪機(jī)需在高壓缸出口布置汽水分離器，以去除高壓缸出口濕度約12%～14%蒸汽中的絕大部分水分。目前常用的是波形板汽水分離器，它的低速特性決定了其尺寸龐大、系統(tǒng)布置復(fù)雜、造價(jià)高以及系統(tǒng)可靠性低等［1］。ABB公司開(kāi)發(fā)出安裝在高、中/低壓缸連通管內(nèi)的高速汽水分離器——彎管式汽水分離器（SCRUPS），并取得了滿意的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和效果［2－5］。這種彎管式汽水分離器的除濕效率并不比常規(guī)汽水分離器低，且尺寸小，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)布置，降低了造價(jià)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1是彎管式汽水分離器在汽輪機(jī)系統(tǒng)中的布置。預(yù)分離器（MOPS）先分離出沿高壓缸壁流下的水分，彎管式汽水分離器（SCRUPS）去除濕蒸汽中的水分，蒸汽經(jīng)再熱器（Reheater）加熱至一定過(guò)熱度后送往中/低壓缸繼續(xù)膨脹做功。圖2為彎管式分離器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意。分離器內(nèi)裝有導(dǎo)流除濕葉柵，蒸汽在除濕葉柵內(nèi)流動(dòng)時(shí)流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，汽流攜帶的大部分水滴因慣性力作用發(fā)生碰撞并沉積在帶吸濕槽的除濕空心葉柵上，沉積的水分和少量蒸汽通過(guò)吸濕槽吸入葉柵內(nèi)腔室并分別排出，從而達(dá)到除濕的目的。由于技術(shù)資料保密等原因，國(guó)內(nèi)目前開(kāi)發(fā)和應(yīng)用這種分離器存在一定的難度。

圖1 彎管式汽水分離器在汽輪機(jī)系統(tǒng)中的布置

圖2 彎管式汽水分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本文應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS－CFX對(duì)彎管式汽水分離器和2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的除濕性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析，揭示了“Z”字形彎管分離器具有最佳的除濕效率和最低的總壓損失。

1 彎管式和2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)分離器的計(jì)算模型

1.1 彎管式分離器計(jì)算模型

水滴重力忽略不計(jì)［6］，模型沿葉高方向?qū)ΨQ，取沿葉高一半進(jìn)行研究能降低網(wǎng)格總數(shù)量，提高計(jì)算效率。

彎管式汽水分離器內(nèi)水滴沉積率主要取決于導(dǎo)流除濕葉柵的葉寬、節(jié)距、汽流攻角［7］，導(dǎo)流除濕葉柵的前期研究中得到了優(yōu)化葉型和葉柵參數(shù)，即：葉寬為350mm，節(jié)距為60mm，沖角為10°。圖3為彎管式汽水分離器結(jié)構(gòu)示意。商業(yè)軟件ANSYS ICEM可對(duì)分離器各部分單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分后再組合計(jì)算，根據(jù)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算時(shí)取總網(wǎng)格數(shù)約1 239萬(wàn)。

圖3 彎管式汽水分離器結(jié)構(gòu)

1.2 組合分離器計(jì)算模型

不同直徑水滴，其沉積機(jī)理有所不同［7］，大水滴沉積主要依靠慣性力，小水滴沉積受湍流效應(yīng)影響很大。彎管式分離器內(nèi)小水滴汽流跟隨性好，沉積量低，因此本文提出了彎管前加旋流裝置的組合結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4），來(lái)增加汽流湍流度，以提高小水滴沉積率，旋流葉柵結(jié)構(gòu)尺寸參考文獻(xiàn)［8］。組合分離器中，旋流器為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其余為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)約1 450萬(wàn)。

圖4 組合分離器結(jié)構(gòu)

1.3 “Z”字形彎管分離器計(jì)算模型

研究發(fā)現(xiàn)，各種直徑水滴的沉積量受汽流偏轉(zhuǎn)角影響很大，且隨偏轉(zhuǎn)角的增大而增大，為此本文提出了“Z”字形彎管分離器結(jié)構(gòu)。圖5為“Z”字形彎管分離器在汽輪機(jī)系統(tǒng)中的布置。

圖5 “Z”字形彎管分離器在汽輪機(jī)系統(tǒng)中的布置

圖6為“Z”字形彎管分離器結(jié)構(gòu)示意，其中導(dǎo)流葉柵偏轉(zhuǎn)角為120°，沖角為0°，由90°偏轉(zhuǎn)角葉型改型并用Numeca Desigh 3D葉型優(yōu)化而得，為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約1 698萬(wàn)。

圖6 “Z”字形彎管分離器結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值計(jì)算方法與驗(yàn)證

2.1 蒸汽流場(chǎng)求解

采用商業(yè)軟件CFX求解定常三維黏性雷諾平均N－S方程，湍流模型為壁面函數(shù)修正的標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型。采用IAPWS－IF97標(biāo)準(zhǔn)給定蒸汽的熱物理參數(shù)。

2.2 水滴輸運(yùn)模型

假定水滴碰撞到葉柵表面時(shí)未發(fā)生反彈，且被直接捕獲，所以采用Lagrangian方法追蹤水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，采用隨機(jī)軌道模型修正Lagrangian方法在描述水滴運(yùn)動(dòng)上的誤差，在運(yùn)動(dòng)方程的速度項(xiàng)中通過(guò)添加隨機(jī)速度分量來(lái)考慮湍流的影響。

2.3 計(jì)算方法驗(yàn)證

根據(jù)Parker等人在平面葉柵上進(jìn)行的小微粒沉積實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［9］，來(lái)驗(yàn)證本文計(jì)算方法的適用性。采用25萬(wàn)、50萬(wàn)、100萬(wàn)、150萬(wàn)4種網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算邊界條件按照實(shí)驗(yàn)條件給定。

總壓損失系數(shù)定義為

式中：P＊0為進(jìn)口總壓；P＊2為當(dāng)?shù)乜倝?。由于文獻(xiàn)［9］中未給出總壓損失系數(shù)，所以引入外推法［10］來(lái)獲得CP的精確解，即

式中：f1、f2為2種網(wǎng)格密度時(shí)獲得的總壓損失系數(shù)的計(jì)算結(jié)果；p為方程截差階數(shù)；r為網(wǎng)格細(xì)化比。

沉積率為撞在實(shí)驗(yàn)葉柵上的粒子質(zhì)量與加入的粒子總質(zhì)量之比。表1為平均總壓損失系數(shù)和沉積率。由表1可以看出，網(wǎng)格數(shù)為100萬(wàn)時(shí)，平均總壓損失系數(shù)ˉCf的相對(duì)偏差ΔˉCf和沉積率η的相對(duì)偏差Δη明顯減小，網(wǎng)格數(shù)增加到150萬(wàn)時(shí)，平均總壓損失系數(shù)的相對(duì)偏差僅減小了0.5%，沉積率的相對(duì)偏差僅減小了0.4%。因此，采用100萬(wàn)～150萬(wàn)網(wǎng)格比較合理，既可保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，也能適當(dāng)減少計(jì)算量。

表1 平均總壓損失系數(shù)和沉積率

3 水滴尺寸與分布估算

核電汽輪機(jī)高壓缸出口蒸汽所含水分中二次水滴不足5%［11］，根據(jù)臨界韋伯?dāng)?shù)計(jì)算，高壓缸二次水滴的尺寸與一次水滴相差不大。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文將少部分的二次水滴并入一次水滴。根據(jù)文獻(xiàn)［12］的試驗(yàn)資料，汽輪機(jī)一次水滴群中直徑為di的水滴群質(zhì)量mi與直徑等于平均直徑dm的水滴群質(zhì)量mm之比近似服從正態(tài)分布，即

計(jì)算出水滴平均直徑后，可求出各種直徑水滴的質(zhì)量及相應(yīng)的水滴數(shù)。

根據(jù)1 750MW核電汽輪機(jī)的相關(guān)參數(shù)，按文獻(xiàn)［11］的方法確定水滴的平均直徑為10μm。本文將水滴分為5種直徑范圍來(lái)考核水滴的運(yùn)動(dòng)沉積特性，每種范圍取其平均值進(jìn)行計(jì)算。水滴的質(zhì)量流量為37 731.1g/s，每秒有1.657 42×1015個(gè)水滴進(jìn)入計(jì)算區(qū)域，該數(shù)目過(guò)于龐大，按1∶1010比例縮小水滴數(shù)目，即取165 742個(gè)水滴進(jìn)行計(jì)算。表2為水滴平均直徑為10μm時(shí)不同水滴直徑范圍內(nèi)的水滴數(shù)目。

表2 水滴平均直徑為10μm時(shí)不同水滴直徑范圍的水滴數(shù)目

4 計(jì)算結(jié)果與分析

汽相進(jìn)口給定總壓1 234.5kPa、總溫463.3K、汽流方向、湍流強(qiáng)度及長(zhǎng)度；出口給定質(zhì)量流量424.29kg/s；葉高方向上端面為對(duì)稱面，其余為壁面；水滴從進(jìn)口均勻加入，速度為汽相進(jìn)口速度的80%［7］。

4.1 彎管式汽水分離器的計(jì)算結(jié)果

圖7為彎管式汽水分離器（簡(jiǎn)稱彎管式分離器）內(nèi)汽相流線分布。由圖7可見(jiàn)，分離器內(nèi)流速分布較為均勻且在50m/s左右，流線分布良好，汽流沿著圓管軸向流動(dòng)。

圖7 彎管式分離器內(nèi)汽相流線分布

圖8為彎管式分離器葉柵中間截面的總壓損失系數(shù)分布。由圖8可見(jiàn)，汽流總壓損失主要發(fā)生在兩組導(dǎo)流除濕葉柵中，對(duì)應(yīng)總壓損失系數(shù)增大，在圓管和過(guò)渡段中汽流總壓損失系數(shù)基本不變。

圖8 彎管式分離器葉柵中間截面總壓損失系數(shù)分布

圖9為3種直徑水滴在彎管式分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖9可見(jiàn)，水滴在經(jīng)過(guò)兩組除濕葉柵時(shí)數(shù)量有所減少，水滴沉積量隨著水滴直徑的增大而增多。

圖9 3種直徑水滴在彎管式分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡

4.2 組合分離器的計(jì)算結(jié)果

圖10為組合分離器中汽相流線分布。由圖10可見(jiàn)：汽流經(jīng)過(guò)旋流葉柵后流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的汽流湍流度增強(qiáng)，紊亂的流場(chǎng)持續(xù)到第一組除濕葉柵進(jìn)口；經(jīng)過(guò)第一組除濕葉柵后，受葉柵整流的作用，流線基本均勻，經(jīng)過(guò)第二組葉柵后流線與圓管軸向幾乎一致。

圖10 組合分離器中汽相流線分布

為了定量說(shuō)明汽流在兩組除濕葉柵前的攻角分布，應(yīng)用CFX探針功能提取計(jì)算結(jié)果中的汽流角度，并計(jì)算出沿額線分布的汽流攻角大小。圖11為應(yīng)用探針對(duì)兩組葉柵進(jìn)行數(shù)據(jù)提取的位置，圖12為組合分離器中汽流攻角分布，其中橫坐標(biāo)相對(duì)長(zhǎng)度l定義為探針位置距葉柵前額線端部的距離與前額線總長(zhǎng)之比。由圖11、12可以見(jiàn)，兩組葉柵進(jìn)口汽流攻角不再是設(shè)計(jì)時(shí)的10°，第一組葉柵進(jìn)口汽流攻角的變化范圍較大，為－4°～42°，第二組葉柵進(jìn)口汽流攻角的變化范圍較小，為2°～22°。

圖13為組合分離器葉柵中間截面的總壓損失系數(shù)分布。由圖13可見(jiàn)，汽流在經(jīng)過(guò)旋流葉柵和兩組導(dǎo)流除濕葉柵時(shí)都會(huì)產(chǎn)生較大總壓損失，對(duì)應(yīng)的總壓損失系數(shù)增大。

圖11 探針數(shù)據(jù)提取位置示意圖

圖12 組合分離器中葉柵進(jìn)口汽流攻角分布

圖13 組合分離器葉柵中間截面總壓損失系數(shù)分布

圖14為3種直徑水滴在組合分離器中的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖14可見(jiàn)，與彎管式分離器相比，組合分離器中3種直徑水滴的沉積量均有所增多，尤其是直徑較小的水滴沉積量增加更明顯。

圖14 3種直徑水滴在組合分離器中的運(yùn)動(dòng)軌跡

4.3 “Z”字形彎管分離器的計(jì)算結(jié)果

圖15為“Z”字形彎管分離器中汽相流線分布。由圖15可見(jiàn)，總體上分離器中流速分布較為均勻，流線分布良好，汽流沿著圓管軸向流動(dòng)。

圖16為“Z”字形彎管分離器葉柵中間截面總壓損失系數(shù)分布。由圖16可見(jiàn)，汽流在經(jīng)過(guò)導(dǎo)流除濕葉柵時(shí)總壓降低明顯，對(duì)應(yīng)總壓損失系數(shù)增大，在圓管和過(guò)渡段中汽流總壓損失系數(shù)基本不變。

圖15 “Z”字形彎管分離器中汽相流線分布

圖16 “Z”字形彎管分離器葉柵中間截面總壓損失系數(shù)分布

圖17為3種直徑水滴在“Z”字形彎管分離器中的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖17可見(jiàn)，與彎管式分離器相比，“Z”字形彎管分離器中不同直徑水滴的沉積量均有所增多，尤其是直徑較大水滴沉積量增加更明顯。

圖17 3種直徑水滴在“Z”字形彎管分離器中的運(yùn)動(dòng)軌跡

5 3種結(jié)構(gòu)分離器的比較

表3為3種分離器水滴沉積數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表3可見(jiàn)：與彎管式分離器相比，2種改進(jìn)結(jié)構(gòu)中各種直徑水滴的沉積量均有所增多，組合分離器中直徑較小水滴的沉積量增加更明顯，“Z”字形彎管分離器中直徑較大水滴的沉積量增加明顯。根據(jù)每種直徑水滴沉積率及其對(duì)應(yīng)沉積量占總水滴量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，經(jīng)加權(quán)求和可求得分離器的除濕效率。圖18為3種分離器除濕效率和平均總壓損失系數(shù)對(duì)比。由圖18可見(jiàn)：彎管式分離器除濕效率和平均總壓損失系數(shù)分別為79.9%和0.32%，組合分離器分別為85.8%和0.41%，顯然在提高除濕效率的同時(shí)也增加了總壓損失；“Z”字形彎管分離器除濕效率和平均總壓損失系數(shù)分別為88.9%和0.20%，該分離器在提高除濕效率的同時(shí)也大大減小了總壓損失。

表3 水滴沉積量統(tǒng)計(jì)

圖18 3種分離器除濕效率和平均總壓損失系數(shù)對(duì)比

6 結(jié) 論

（1）彎管式分離器和“Z”字形彎管分離器中汽相流速比較均勻，汽流基本沿著圓管軸向流動(dòng)；汽流經(jīng)過(guò)組合分離器的旋流葉柵后流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，流場(chǎng)紊亂，流線經(jīng)過(guò)第二組導(dǎo)流除濕葉柵后與圓管軸向基本一致。

（2）與彎管式分離器相比，組合分離器中直徑較小水滴的沉積量增加明顯，但同時(shí)也增加了總壓損失；“Z”字形彎管分離器中直徑較大水滴的沉積量增加明顯，同時(shí)大大減小了總壓損失。

（3）在除濕效率和平均總壓損失系數(shù)方面，彎管式分離器分別為79.9%和0.32%，組合分離器分別為85.8%和0.41%，“Z”字形彎管分離器分別為88.9%和0.20%。顯然，本文提出的“Z”字形彎管分離器具有較高的除濕效率和較低的總壓損失系數(shù)，值得推薦。

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